Để tạo nên một chip nhỏ bằng đầu ngón tay, hệ thống sản xuất phải là những cỗ máy khổng lồ, tiêu tốn một lượng lớn nước mỗi ngày.
Một chip hiện đại chứa hơn 50 tỷ bóng bán dẫn, mỗi bóng nhỏ hơn 10.000 lần chiều rộng của sợi tóc. Để tạo ra chúng cần đến nhà máy khổng lồ với chiều cao 7 tầng và chiều dài bằng bốn sân bóng đá, cùng các cỗ máy tối tân đi kèm.
Về tầm quan trọng, vi mạch được xem là mạch máu của nền kinh tế hiện đại. Chúng cung cấp năng lượng cho máy tính, smartphone, ôtô, thiết bị gia dụng và hàng loạt thiết bị điện tử khác. Nhu cầu chip của thế giới đã tăng cao kể từ khi đại dịch diễn ra, trong khi sự gián đoạn chuỗi cung ứng dẫn đến tình trạng thiếu hụt chip trên toàn cầu.
Thực tế, quá trình tạo chip bán dẫn không hề đơn giản. Để hình dung, New York Times đã mô tả bên trong hai nhà máy của Intel ở Chandler và Hillsboro thuộc bang Arizona.
Quá trình tạo chip
Chip, hay mạch tích hợp, bắt đầu thay thế các bóng bán dẫn riêng lẻ và cồng kềnh từ cuối những năm 1950. Những thành phần nhỏ trong đó được sản xuất trên một miếng silicon, kết nối với nhau để hoạt động. Tùy theo mục đích, chip sẽ làm nhiệm vụ lưu trữ dữ liệu, khuếch đại tín hiệu vô tuyến hoặc thực hiện các hoạt động khác. Intel nổi tiếng với nhiều loại vi xử lý, thực hiện hầu hết các chức năng tính toán của máy tính.
Một nhân viên của Intel đang cầm tấm silicon dùng để sản xuất chip. Ảnh: NYT
Theo định luật Moore, số bóng bán dẫn (transistor) trên mạch tích hợp sẽ tăng gấp đôi sau mỗi hai năm. Intel đã cố gắng thu nhỏ kích thước bóng bán dẫn trên vi xử lý của mình, nhưng những năm gần đây, họ gần như hụt hơi so với một số đối thủ khác, như TSMC của Đài Loan.
Intel, TSMC đang cố gắng đóng gói nhiều transistor lên mỗi miếng silicon càng nhiều càng tốt. Nhưng để làm được và vượt lên đối thủ, các nhà máy sản xuất chip mới cũng tiêu tốn hàng tỷ USD.
Sự đua tranh khắc nghiệt đến nỗi, ngày càng ít công ty có đủ khả năng xây dựng nhà máy với quy trình sản xuất tiên tiến. Ngoài việc chi trả cho xây nhà máy và đầu tư máy móc, doanh nghiệp còn phải đổ “tiền tấn” để phát triển các hệ thống xử lý phức tạp đằng sau, được sử dụng để sản xuất chip từ tấm silicon, được gọi là fab.
Để tạo chip, các cỗ máy khổng lồ sẽ thiết kế và tính toán số bóng bán dẫn trên mỗi tấm wafer, sau đó khắc vào lớp vật liệu, dùng phương pháp lắng đọng hơi hóa học để tạo và kết nối các bóng bán dẫn. Có tối đa 25 tấm wafer di chuyển cùng lúc giữa các hệ thống. Chúng nằm bên trong hộp nhựa đặc biệt và chạy trên các đường ray tự động trên cao.
Một cỗ máy được sử dụng để khắc vật liệu từ tấm silicon khi chế tạo chip. Ảnh: NYT
Việc xử lý một tấm wafer có thể mất hàng nghìn bước và lên đến hai tháng. TSMC hiện có công nghệ hiện đại nhất, có thể vận hành các nhà máy dạng “gigafab” từ bốn dây chuyền sản xuất trở lên. Dan Hutcheson, Phó chủ tịch TechInsights, ước tính mỗi nhà máy “gigafab” của TSMC có thể xử lý hơn 100.000 tấm wafer mỗi tháng. Trong khi đó, hai nhà máy đang xây dựng của Intel trị giá 10 tỷ USD ở Arizona dự tính xử lý khoảng 40.000 tấm wafer trong cùng thời gian.
Sau chế tạo, tấm wafer được cắt thành từng lát mỏng chứa chip. Ban đầu, chúng được bọc trong các gói nhựa và kết nối với bảng mạch hoặc các bộ phận của hệ thống để chạy thử nghiệm trước khi đi vào quy trình đóng gói.
Việc đóng gói diễn ra nghiêm ngặt. Một hạt bụi không nhìn thấy bằng mắt thường có thể làm hỏng chip bất cứ lúc nào. Do đó nhà máy thường được xử lý sạch hơn cả phòng mổ của bệnh viện. Chúng được trang bị công nghệ tối tân, với hệ thống phức tạp để lọc không khí, điều chỉnh nhiệt và độ ẩm môi trường xung quanh.
Các fab cũng phải có độ tĩnh tối đa, bất kỳ rung động nào dù nhỏ nhất cũng khiến các tấm wafer đắt tiền bị hỏng lập tức. Vì vậy, các nhà máy fab được xây dựng trên những tấm bê tông khổng lồ với hệ thống giảm xóc đặc biệt.
Không khí sạch là điều các nhà máy đặc biệt chú ý. Ở tầng cao nhất tại nhà máy Intel, những chiếc quạt khổng lồ giúp lưu thông không khí đến phòng lọc ngay bên dưới. Trong phòng này là hàng nghìn máy bơm, máy biến áp, tủ điện, đường ống dẫn không khí và thiết bị làm lạnh kết nối với khu vực sản xuất.
Sự cần thiết của nước
Các fab sử dụng rất nhiều nước khi hoạt động. Nước là thành phần quan trọng khi tạo chip, là yếu tố cần thiết để làm sạch tấm wafer ở nhiều giai đoạn của quá trình sản xuất.
Chẳng hạn, nhà máy Intel ở Chandler dùng 41 triệu lít nước mỗi ngày. Tuy nhiên, với việc mở rộng nhà máy trong tương lai, con số này sẽ tăng lên đáng kể. Đây cũng là thách thức lớn của Intel, do Arizona là một bang thường xuyên xảy ra hạn hán, trong khi nơi đây cũng phải dùng nước phục vụ cho mục đích nông nghiệp.
Khu vực xử lý nước bên trong nhà máy Intel ở Arizona. Ảnh: NYT
Intel cho biết, nhà máy của họ dựa vào nguồn cung cấp nước từ ba con sông và hệ thống giếng. Số nước thải sau đó được xử lý trở lại qua hệ thống lọc và bể lắng với tỷ lệ thu hồi 82%. Nước này chủ yếu dùng cho tưới tiêu và một số mục đích sử dụng khác.
Theo ước tính của Intel, việc xây dựng các nhà máy sản xuất chip trong tương lai sẽ cần khoảng 5.000 công nhân lành nghề và thực hiện trong ba năm. Dan Doron, Giám đốc xây dựng của Intel, nói: “Việc làm móng sẽ loại bỏ 890.000 mét khối đất, sau đó đổ hơn 445.000 mét khối bê tông và sử dụng 100.000 tấn thép gia cường cho nền móng. Số vật liệu này còn nhiều hơn cả việc xây tòa nhà cao nhất thế giới là Burj Khalifa ở Dubai”.
Cũng theo Doron, xây dựng nhà máy cần tới nhiều cần cẩu khổng lồ, được vận chuyển bằng hơn 100 xe tải. Ước tính, mỗi ngày cần cẩu nâng khoảng 55 tấn vật liệu.